Фізичні основи електроніки (стр. 2 из 9)
З формули (1.6) випливає дещо несподіваний на перший погляд висновок про те, що густина струму насичення jтим більша, чим більша відстань між електродами. Цей висновок справедливий за умови, якщо іонізація відбувається в усьому об’ємі між електродами. Оскільки при струмі насичення кількість іонів, що утворюється за одиницю часу, дорівнює кількості іонів, які щосекунди досягають електродів, тому відповідно і густина струму пропорційна l, бо при більшій відстані між електродами виникатиме більша кількість іонів. Для проміжних значень напруженості електричного поля залежність сили струму від напруженості має складніший характер, тобто закон Ома не виконується.
У цьому випадку, при підвищенні напруги сила струму розряду різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що при припинені дії іонізатора струм не змінюється. Такий розряд у газах називають самостійним.
Самостійним називають електричний розряд, для підтримання якого не потрібне утворення заряджених частинок під дією зовнішніх факторів. При самостійному розряді генерація і рух зарядів у розрядному проміжку здійснюється тільки за рахунок енергії електричного поля, яке діє між електродами – катодом і анодом.
Якщо електрон, який рухається в електричному полі до анода набуває енергії достатньої для іонізації атомів (молекул) газу при непружному зіткненні, то виникають позитивний іон і новий електрон. При наступному непружному співударі утворюється нова пара носіїв заряду і т. д. Такий процес виникнення електронів та іонів називають електронною або іонною лавиною.
Для розгляду цього процесу кількісно позначимо через α кількість пар іонів, що утворюються внаслідок непружного удару з атомами газу на одиниці довжини шляху. Тоді збільшення густини потоку електронів, що виникає в шарі товщиною dx, виражається співвідношенням
, (1.7)де n– густина потоку електронів, що входять у перпендикулярному напрямі до поверхні уявно виділеного шару товщиною dxна відстані xвід катода. Якщо вважати, що утворення нових пар електронів і іонів не приводить до істотних змін електричного поля у міжелектродному просторі, то коефіцієнт α можна вважати сталим для даного процесу.
Інтегруючи (1.7), отримуємо
, (1.8)де С – стала інтегрування. При x=0 величина n дорівнює кількості електронів, що вивільнюються з одиниці площі катода під дією зовнішнього іонізатора, тобто n=n0. Отже, С=n0. Тоді
. (1.9)Звідси випливає, що тільки при ударній іонізації розряд не може бути самостійним, оскільки при n0=0 nа також дорівнює нулю. Щоб розряд був самостійним, треба, щоб електронні лавини підтримували самі себе, тобто у газі має відбуватись ще один процес, у результаті якого утворювалися б нові електрони. Одним з таких процесів може бути вторинна електронна емісія з катода при бомбардуванні його іонами. Позначимо кількість електронів, що вивільняються з катода під дією зовнішнього іонізатора і внаслідок вторинної електронної емісії, через nк. тоді густина потоку електронів на аноді буде
. (1.10)Внаслідок ударної іонізації електронів, кількість електронів, що виникає в лавині, дорівнює кількості позитивних іонів, які при цьому утворюються, тобто
. (1.11)При бомбардуванні катода іонами внаслідок вторинної електронної емісії з нього вивільнятиметься електронів
, де γ – коефіцієнт пропорційності (для металів γ<1). Тоді, враховуючи одночасну дію зовнішнього іонізатора і вторинну електронну емісію з катода, можна записати, що 
. (1.12)Звідси маємо
. (1.13)Тоді густина потоку електронів на аноді
. (1.14)Оскільки на аноді струм газового розряду повністю визначається рухом електронів, то густина струму на основі (1.14) виражатиметься так:
. (1.15)При стаціонарному режимі розряду густина струму повинна бути однакова у всьому проміжку газового розряду, тому густина струму складатиметься з суми густин електронного jeі іонного струмів ji , тобто
j=je +ji.
Аналіз виразу (1.15) свідчить про те, що за умови, коли
, густина струму 
навіть при припиненні дії зовнішнього іонізатора 
. Отже, умовою виникнення самостійного розряду є рівність 
. (1.16)напруга при якій виконується умова (1.16), називається напругою запалювання газового розряду.
Електрони для підтримання електронної лавини можуть утворюватись не тільки ударною іонізацією електронами, можлива іонізація атомів та молекул іонами та фотоіонізацією. Крім цього необхідно врахувати і неоднорідність електричного поля, яке зумовлене об’ємними зарядами при іонізації газу. Все це вказує на складність газового розряду. Тому єдиної теорії самостійного газового розряду, яка враховувала б усі процеси, ще не створено.
Рис. 1.1 Принципова електрична схема включення розрядної трубки при дослідженнігазового розряду
Якщо розрядну трубку з двома електродами, наповнену газом, ввімкнути в електричне коло з джерелом високої напруги GB1 і баластним резистором R1, який дає можливість регулювати струм у колі (рис. 1.1), то залежно від величини струму через газовий проміжок в ньому виникнуть різні види електричного розряду, які відрізняються фізичними процесами в об’ємі газу і на електродах, характером свічення і величиною спаду напруги Ua між електродами.
На рис. 1.2 приведена типова залежність спаду напруги на газорозрядній лампі від величини струму, яка називається вольт-амперною характеристикою газового розряду. Ділянка 0а відповідає несамостійному темному розряду, а ділянка ab – самостійному темному розряду.
Вертикальна ділянка cd, відповідає нормальному тліючому розряду. При подальшому збільшенню струму в трубці спостерігається аномальний тліючий розряд (ділянка de). При струмах від одиниць до сотень і тисяч ампер виникає дуговий розряд (ділянка fg). Ділянки bcі ef відповідають нестійким перехідним розрядам – від темного до тліючого і від аномального тліючого до дугового.
Завдання до лабораторної роботи
1. Зібрати схему, зображену на рис. 1.1.
2. Дослідити ВАХ неонової лампи.
3. Побудувати ВАХ і визначити:
а) потенціал U3і струм запалювання розряду (І3=Іа);
б) напругу горіння UГ та діапазон струмів тліючого розряду при цьому;
в) вказати ділянки самостійного та несамостійного розрядів;
г) для кожної ділянки ВАХ визначити величини диференціальних опорів:
. 
Рис. 1.2 Вольт-амперна характеристика електричного розряду у газі
4. Оцінити похибку вимірювань та зробити висновки
Література
[1]. c. 370-400. [2]. c. 322-339. [3]. c. 185-215.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
Вивчення термоелектронної емісії
Мета роботи: експериментальна перевірка формули Річардсона-Дешмана, закону 3/2 та визначення термоелектронної роботи виходу.
Необхідні прилади і матеріали: джерело постійної напруги (0÷5 В; 0÷100 В), вольтметри постійного струму (1 В; 100 В); омметр; електровакуумні діоди з катодами прямого розжарення.
Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи:
1. Потенціальний бар’єр на границі твердого тіла.
2. Явище термоелектронної емісії (ТЕ). ТЕ металів та напівпровідників.
3. Вплив зовнішнього електричного поля на ТЕ металів.
4. ТЕ при наявності на поверхні металу моноатомного шару адсорбованої речовини.
5. Оксидний катод.
Основні теоретичні відомості та методика експерименту
Емісію електронів, яка виникає в результаті нагріву тіл, називають термоелектронною емісією. Явище ТЕ широко використовують у вакуумних і газонаповнених приладах. Кількісні та якісні співвідношення, які визначають струм емісії IS від параметрів матеріалу катоду і його температури Т, задаються формулою Річардсона-Дешмана:
, (2.1)де константа
є універсальною і не залежить від роду емітера; 
– робота, яку необхідно виконати для переводу електрона з будь-якого енергетичного рівня на рівень вакууму; 
– енергія Фермі; D – середній коефіцієнт прозорості потенціального бар’єру (як правило D≈1); S – ефективна площа катода.